專利名稱：交叉損耗降低的光波導(dǎo)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)裝置例如集成的光波導(dǎo)裝置，具體涉及光波導(dǎo)交叉損耗降低的這樣一種裝置。
背景技術(shù)：
因?yàn)楣鈱?dǎo)纖維通信信道逐漸取代了金屬電纜和微波傳送線路，所以集成光波導(dǎo)裝置形式的光波導(dǎo)裝置逐漸變得越來(lái)越重要。這種裝置通常包括底襯例如硅，具有底部涂層例如SiO2；在該底襯上形成的圖案式薄芯層；在該圖案式芯層上形成的頂部涂層。該芯層的折射率高于涂層的折射率，由此形成波導(dǎo)特性，采用例如光刻方法形成芯層，從而執(zhí)行各種光處理功能中的任何一種功能，例如光束的分光、光的引出、多路傳輸；多路分解和濾波。
隨著傳送速度越高和波長(zhǎng)區(qū)多道傳輸量增加的到來(lái)，很需要提供一種具有高密度處理裝置的波導(dǎo)裝置，處理越來(lái)越多光輸入數(shù)目。這種裝置的緊湊設(shè)計(jì)要求波導(dǎo)件“交叉”，在交叉處一個(gè)波導(dǎo)光束與另一波導(dǎo)光束交叉。通常，波導(dǎo)芯區(qū)域在物理上不是在不同平面上立體交叉，而是通過(guò)共面區(qū)域。
波導(dǎo)件交叉引起的問(wèn)題是，這種交叉由于產(chǎn)生散射和串?dāng)_而造成光損耗，因?yàn)橐粭l光路上的一些光射到其它光路上。這種相交波導(dǎo)件在交叉處形成非對(duì)稱的折射率分布。這種分布干擾波導(dǎo)光模，并激發(fā)出更高級(jí)的光模。因?yàn)橄嘟粎^(qū)域是突變的(非絕熱的)，所以它將激發(fā)非波導(dǎo)光模，造成串?dāng)_和光功率的損耗。在波導(dǎo)件折射率對(duì)比度δ增加時(shí)，這些問(wèn)題加重。


圖1A是先有技術(shù)，示意示出常規(guī)的交叉，這種交叉包括一對(duì)芯光波導(dǎo)件10和11，該波導(dǎo)件在區(qū)域12的公共芯層上以角度θ相交，該芯波導(dǎo)件10和11的折射率n2大于周圍涂層的折射率n1。對(duì)于高密度裝置，通常在θ＜5°的小角度下交叉，在交叉處，芯層與涂層形成很高的折射率對(duì)比度，即很高的δ，δ＝(n2-n1)/n2，但是即使折射率對(duì)比度低，交叉區(qū)域也干擾傳播的光模，激發(fā)非波導(dǎo)的光模，這種光模將造成光功率的損耗和串?dāng)_。
圖1B是曲線圖，示出對(duì)于典型δ＝4％(曲線1)和δ＝0.8％(曲線2)的常規(guī)交叉，光功率損耗隨交叉角θ的變化。從圖中可以看出，損耗隨交叉角的降低而急劇增加。
已經(jīng)提出很多方法來(lái)降低波導(dǎo)件交叉處的損耗。一種方法是增加光導(dǎo)層的錐度，以便在波導(dǎo)件接近交叉區(qū)域時(shí)寬度增加(見(jiàn)K.Aretz etal.，”Reduction of crosstalk and losses of intersecting waveguide，”25Electronics Letters，No.11(May 25，1989)；也見(jiàn)H.G.Bukkens，etal.”Minimization of the Loss of Intersencting Waveguides inInP-Based photonic Integrated Circuits，”IEEE Photonics TechnologyLetters，No.11(Nov.1999)).因此在交叉處光束的尺寸增大，這使得光?？梢院徒徊媪硪粋?cè)的和波導(dǎo)件更好地匹配。對(duì)于角度小于6°，可以達(dá)到＜30dB的低串?dāng)_和低損耗。然而這種方法要求很長(zhǎng)的錐形長(zhǎng)度(大于1mm)，這對(duì)于某些應(yīng)用是不可行的。另外，這種方法對(duì)于高δ波導(dǎo)件的交叉不是有效的。
Hernandez等在1990年10月9日公布的美國(guó)專利No.4961619中提出了一種類似的方法。在交叉點(diǎn)處增加或者降低波導(dǎo)件的寬度可以改變?cè)搮^(qū)域的光模特性。這樣便造成橫向折射率分布的軸向變化，這種變化可以更好地準(zhǔn)直在交叉處的電場(chǎng)。這種方法還可以用于小于5°的小角度交叉。然而這種方法不適用于高δ的波導(dǎo)件，因?yàn)樗枰艽蟮膱A錐區(qū)域來(lái)使光模絕熱膨脹。
由Nishimoto(1992年10月20日公布的美國(guó)專利No.5157756)提出的第三種方法中，相交區(qū)域包括低折射率的外周區(qū)域，該區(qū)域圍繞交叉中心的島形波導(dǎo)材料。也見(jiàn)Lemoff等的論文。這種方法對(duì)于小角度交叉可以降低損耗。然而對(duì)于高階的折射率對(duì)比度波導(dǎo)件是無(wú)效的，光損耗可能較高。
因此，需要一種光波導(dǎo)裝置，這種波導(dǎo)裝置具有損耗低的光波導(dǎo)件交叉。
發(fā)明概要本發(fā)明是一種改進(jìn)的平面光波導(dǎo)裝置，包括多個(gè)光波導(dǎo)件和一個(gè)或者多個(gè)兩個(gè)波導(dǎo)件以一定角度相交的交叉區(qū)域。按照本發(fā)明，通過(guò)在交叉區(qū)域上將波導(dǎo)件分段可以減小由交叉產(chǎn)生的損耗和串?dāng)_，這些分開(kāi)的段最好還加寬其寬度(與遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)的波導(dǎo)傳送區(qū)域相比)，并相對(duì)于波導(dǎo)件的縱軸偏移。在這些段的相交區(qū)域中，這些段并合成復(fù)雜的段，這些段的形狀對(duì)應(yīng)于相交段的外周形狀。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明例示性的實(shí)施例，由此可以更完全地看出本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)、特性和各種其它的特征。這些附圖是圖1A是常規(guī)波導(dǎo)件交叉的示意圖；圖1B是曲線圖，示出對(duì)兩種圖1A所示的代表性交叉，損耗隨交叉角的模擬變化；圖2A是示意圖，用于設(shè)計(jì)本發(fā)明的波導(dǎo)件交叉；圖2B是示意圖，示出例示性的光波導(dǎo)件裝置，該裝置包括本發(fā)明的波導(dǎo)件交叉；圖2C是沿波導(dǎo)件22截取的圖2B所示裝置的橫截面圖；圖3是曲線圖，示出對(duì)于包含圖2B所示交叉的若干交叉中光損耗隨交叉角的模擬變化。
應(yīng)當(dāng)明白，這些附圖是為了例示本發(fā)明的原理，除開(kāi)曲線而外，均不是按比例畫(huà)出的。
詳細(xì)說(shuō)明參考附圖，圖1A和1B是常規(guī)裝置，在發(fā)明背景一節(jié)進(jìn)行說(shuō)明。
圖2A可以用于設(shè)計(jì)本發(fā)明的波導(dǎo)件交叉，圖中示出一種光波導(dǎo)裝置20，該裝置包括例示性的波導(dǎo)件交叉區(qū)域21。事實(shí)上，該交叉區(qū)域21包括一對(duì)共平面的以角度θ相交的光波導(dǎo)件22和23。各個(gè)光波導(dǎo)件22和23包括芯部分，該芯部分包括多個(gè)沿交叉區(qū)域21波導(dǎo)件共有的分段22B和23B。各個(gè)波導(dǎo)件22和23最好絕熱地形成錐形，以增大相交區(qū)域的寬度，并絕熱地形成錐形，以降低離開(kāi)該區(qū)域的寬度。例如，波導(dǎo)件22形成一條光路，該光路包括連續(xù)的錐形輸入芯部分22A，該芯部分的寬度逐漸加寬地進(jìn)入相交區(qū)域；在區(qū)域21中的多個(gè)段22B；連續(xù)的錐形芯部分22C，該部分伸離區(qū)域21。而波導(dǎo)件23具有類似于上述的相同芯部分。在各個(gè)波導(dǎo)件中這些段最好橫向偏離連續(xù)輸入部分22A和23A的軸線。
在波導(dǎo)芯22和23位于分開(kāi)的層上時(shí)，圖2A也可以是立交，但是在芯22和23共平面時(shí)，它不是立交。從圖2A可以明顯看出，在共面芯的裝置中，段22B和23B將并合成更復(fù)雜的共用分段，這些段的形狀對(duì)應(yīng)于段相交的外周形狀。按照本發(fā)明，交叉包括具有這種復(fù)雜共用分段的交叉。
圖2B示出一種例示性的光導(dǎo)裝置，該裝置包括本發(fā)明的交叉。其中共面的波導(dǎo)芯22和23穿過(guò)交叉區(qū)域21。各個(gè)波導(dǎo)件包括連續(xù)的輸入部分例如22A(長(zhǎng)度相當(dāng)于交叉區(qū)域)、復(fù)雜的共用段25(基本上用虛線示出)以及連續(xù)的輸出部分例如22C。兩個(gè)波導(dǎo)件均具有同樣的復(fù)雜共用段25，該復(fù)雜共用段的形狀相當(dāng)于并合段的外周形狀，如圖2A所示。圖2B所示的裝置最好還包括如圖2A說(shuō)明的錐形和偏離。
圖2C是沿線A-A截取的圖2B所示裝置的示意橫截面圖。圖中示出的裝置包括底襯26例如硅底襯，該底襯支承第一涂層27例如SiO2涂層。芯層22和23通常是較高折射率的摻雜SiO2區(qū)域，第二涂層28涂在圖案式的芯層上。
在波導(dǎo)件22和23縱軸之間的交叉角θ是銳角。本發(fā)明適合于角度θ通常在35-3°范圍的交叉，最好在25-5°范圍的交叉。與離開(kāi)交叉區(qū)域的傳輸區(qū)域中的典型波導(dǎo)件寬度相比，在交叉區(qū)域的寬度通常增加約0-30％，最好增加約9-11％，交叉區(qū)域通常包含3-5個(gè)共用段的并合段，各個(gè)段的縱向長(zhǎng)度通常在4-8微米之間，而段之間通常隔開(kāi)1.2-1.4微米。在優(yōu)選實(shí)施例中，分段的段橫向偏離輸入芯部分和輸出芯部分的兩個(gè)部分。最佳的偏離取決于角度θ。對(duì)于典型的交叉，偏離的范圍從小于約0.1微米到大于1.0微米。優(yōu)選的偏離對(duì)于角度θ＝20°為0.3微米，而對(duì)于θ＝5°為0.7微米。在圖2所示的實(shí)施例中，該分段的段25B相對(duì)于輸入部分23A是偏離的(向左偏移)，而相對(duì)于部分22A也是偏離的(向右偏移)。
本發(fā)明適用于δ在0.8-10范圍內(nèi)的波導(dǎo)件的交叉。對(duì)于范圍在2-6的高δ交叉是特別有利的，在上述交叉中，相交波導(dǎo)件的段的重疊將產(chǎn)生折射率分布，這種分布將光功率控制在輸出波導(dǎo)的方向。分段的段使光束在相交區(qū)域22中膨脹。另外，該光束將稍微膨脹成具有絕熱的(最好是指數(shù)的)錐形，從而匹配在分段區(qū)域中的光模。段的橫向偏移改進(jìn)了波導(dǎo)件相交區(qū)域22的光模耦合。
通過(guò)以下具體例子可以更清楚理解本發(fā)明。
圖3示出采用BPV商用軟件的模擬結(jié)果。該結(jié)果是對(duì)δ為0.8％(圓圈)和4％(方塊)折射率對(duì)比度的波導(dǎo)件得到的。在同一圖上，用虛線示出常規(guī)交叉的數(shù)據(jù)。對(duì)于0.8％的波導(dǎo)件，錐形的起始寬度為4.5微米，而高度為6.4微米。最后寬度在4-5微米之間，取決于交叉的角度。交叉區(qū)域的總長(zhǎng)(包括錐形)是120微米，波導(dǎo)件的偏離適合于各個(gè)角度。如此圖所示，與常規(guī)的交叉相比，對(duì)于小角度交叉可以顯著降低損耗。不用這種段時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)δ波導(dǎo)件(0.8％)的損耗在30°時(shí)約為0.08dB。對(duì)于5°的小角度，交叉損耗增加到1dB，這種損耗遠(yuǎn)高于允許損耗。用我們的新方法，對(duì)于5°交叉角，光損耗值可以降低到0.1dB，而且在較寬的角度范圍，這些結(jié)果是大體一致的。
對(duì)于4％的δ的波導(dǎo)件，面積是2.7×2.7平方微米。錐形的最終長(zhǎng)度在70-120微米之間。另外，可按照交叉角修改波導(dǎo)件的偏離和最終寬度。在交叉處使用段，對(duì)于20°的角度，可以將光損耗從0.45dB減小到0.13dB，而對(duì)于5°角度，可以從約16dB減小到0.4dB。該約16dB的光損耗主要是由于與相交波導(dǎo)件的串?dāng)_引起的。這種結(jié)果對(duì)于小角度交叉是很有希望的，這種小角度可以增加芯片上光學(xué)器件的數(shù)目。
應(yīng)當(dāng)明白，上述實(shí)施例只例示出多個(gè)可能的本發(fā)明適用的具體實(shí)施例中的少許實(shí)施例。但是技術(shù)人員可以進(jìn)行多個(gè)其它的變型配置而不違背本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包含多個(gè)光波導(dǎo)件，各個(gè)波導(dǎo)件包括用于傳送光線的縱向延伸的芯區(qū)域，該光學(xué)器件還包括至少一個(gè)交叉區(qū)域，在交叉區(qū)域中至少第一和第二波導(dǎo)件相交，在該相交區(qū)域中的第一和第二波導(dǎo)件包括各自的分段的芯區(qū)域，這些分段的芯區(qū)域并合成至少一個(gè)共用的相交段。
2.如權(quán)利要求1所述器件，其特征在于，各個(gè)分段的芯區(qū)域在未形成并合段時(shí)其縱向長(zhǎng)度在4-8微米之間。
3.如權(quán)利要求1所述器件，其特征在于，該分段的芯區(qū)域在未形成并合段時(shí)由一個(gè)間隙隔開(kāi)，該間隙的縱向長(zhǎng)度在1.2-1.4微米之間。
4.如權(quán)利要求1所述器件，其特征在于，第一和第二波導(dǎo)件中的各個(gè)波導(dǎo)件包括一對(duì)與相交區(qū)域分開(kāi)的連續(xù)部分。
5.如權(quán)利要求4所述器件，其特征在于，各個(gè)連續(xù)部分包括靠近相交區(qū)域的寬度連續(xù)漸縮的部分。
6.如權(quán)利要求4所述器件，其特征在于，連續(xù)的漸縮部分是絕熱的漸縮部分。
7.如權(quán)利要求4所述器件，其特征在于，對(duì)于各個(gè)波導(dǎo)件，分段的部分橫向偏離連續(xù)部分。
8.如權(quán)利要求1所述器件，其特征在于，分段的部分在不存在并合分段時(shí)沿相交區(qū)域包含3-5個(gè)段。
9.如權(quán)利要求1所述器件，其特征在于，在第一和第二波導(dǎo)件之間的相交角度在3-35°的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所述器件，其特征在于，第一和第二波導(dǎo)件中各個(gè)波導(dǎo)件的折射率對(duì)比度在2-6的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的共面波導(dǎo)器件，該器件包括多個(gè)光波導(dǎo)件和一個(gè)或多個(gè)交叉區(qū)域，在交叉區(qū)域中兩個(gè)波導(dǎo)件以一定角度相交。按照本發(fā)明，在相交區(qū)域上將波導(dǎo)件切成段，可以減小由這種交叉產(chǎn)生的光損耗和串?dāng)_。這些段最好還加寬寬度(與離開(kāi)交叉的波導(dǎo)件傳輸區(qū)域相比)，并且最好偏離波導(dǎo)件的縱軸。在分段的交叉區(qū)域，這些段并合成復(fù)雜的段，該復(fù)雜段的形狀相當(dāng)于交叉段的外周形狀。
文檔編號(hào)G02B6/122GK1534320SQ20041003049
公開(kāi)日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月27日
發(fā)明者馬哈茂德·拉斯拉斯, 馬哈茂德 拉斯拉斯 申請(qǐng)人:朗訊科技公司